素混凝土

素混凝土是針對(duì)鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土等而言的。素混凝土是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重
要組成部分，由水泥、砂（細(xì)骨料）、石子（粗骨料）、礦物參合料、外加劑等，按一定比例混合后加一定比例的水拌制而成。普通混凝土干表觀密度為1900～2500kg/m3，是由天然砂、石作骨料制成的。當(dāng)構(gòu)件的配筋率小于鋼筋混凝土中縱向受力鋼筋最小配筋百分率時(shí)，應(yīng)視為素混凝土結(jié)構(gòu)。這種材料具有較高的抗壓強(qiáng)度，而抗拉強(qiáng)度卻很低，故一般在以受壓為主的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中采用，如柱墩、基礎(chǔ)墻等。

鋼筋混凝土

當(dāng)在混凝土中配以適量的鋼筋，則為鋼筋混凝土。鋼筋和混凝土這種物理、力學(xué)性能很不相同的材料之所以能有效地結(jié)合在一起共同工作，主要靠?jī)烧咧g存在粘結(jié)力，受荷后協(xié)調(diào)變形。再者這兩種材料溫度線膨脹系數(shù)接近，此外鋼筋至混凝土邊緣之間的混凝土，作為鋼筋的保護(hù)層，使鋼筋不受銹蝕并提高構(gòu)件的防火性能。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)合理地利用了鋼筋和混凝土兩者性能特點(diǎn)，可形成強(qiáng)度較高，剛度較大的結(jié)構(gòu)，其耐久性和防火性能好，可模性好，結(jié)構(gòu)造型靈活，以及整體性、延性好，減少自身重量，適用于抗震結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，因而在建筑結(jié)構(gòu)及其他土木工程中得到廣泛應(yīng)用。

預(yù)應(yīng)力混凝土

預(yù)應(yīng)力混凝土是在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受荷載之前，利用張拉配在混凝土中的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋而使混凝土受到擠壓，所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力可以抵消外荷載所引起的大部分或全部拉應(yīng)力，也就提高了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂度。這樣的預(yù)應(yīng)力混凝土一方面由于不出現(xiàn)裂縫或裂縫寬度較小，所以它比相應(yīng)的普通鋼筋混凝土的截面剛度要大，變形要小；另一方面預(yù)應(yīng)力使構(gòu)件或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形與外荷載產(chǎn)生的變形方向相反（習(xí)慣稱為"反拱"），因而可抵銷后者一部分變形，使之容易滿足結(jié)構(gòu)對(duì)變形的要求，故預(yù)應(yīng)力混凝土適宜于建造大跨度結(jié)構(gòu)。混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度越高，可建立的預(yù)應(yīng)力值越大，則構(gòu)件的抗裂性越好。同時(shí)，由于合理有效地利用高強(qiáng)度鋼材，從而節(jié)約鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重。由于抗裂性高，可建造水工、儲(chǔ)水和其它不滲漏結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

和其他材料的結(jié)構(gòu)相比，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：整體性好，可灌筑成為一個(gè)整體；可模性好，可灌筑成各種形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)；耐久性和耐火性好;工程造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用低。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)史

國(guó)際簡(jiǎn)況

從現(xiàn)代人類的工程建設(shè)史上來(lái)看，相對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和鋼、鐵結(jié)構(gòu)而言，混凝土結(jié)構(gòu)是一種新興結(jié)構(gòu)，它的應(yīng)用也不過(guò)一百多年的歷史。但有的考古學(xué)者認(rèn)為，水泥的起源約在公元前5—10萬(wàn)年，以后在公元前3000年，用熟石膏和石灰混合在一起建造了著名埃及的金字塔，這是現(xiàn)存的最早的混凝土結(jié)構(gòu)物。其后在古希臘和羅馬時(shí)代，用這種水泥建造了很多建筑物和公路。

進(jìn)入近代以來(lái)，經(jīng)過(guò)了J．Smeaton，J．Parker等人的試作階段，1824年英國(guó)的燒瓦工人Joseph Aspdin調(diào)配石灰?guī)r和粘土，首先燒成了人工的硅酸鹽水泥，并取得專利，成為水泥工業(yè)的開端。以后，對(duì)如何克服混凝土抗拉強(qiáng)度很低這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，1854年法國(guó)技師J．L．Lambot將鐵絲網(wǎng)斂入混凝土中制成了小船，并于第二年在巴黎博覽會(huì)上展出，這可以說(shuō)是最早的RC制品。從此以后，F(xiàn)rancois Conigne，Wilkinson等人改進(jìn)了Lambot的制品，到1867年法國(guó)技師Joseph Monier取得了用格子狀配筋制作橋面板的專利，RC工藝迅速地向前發(fā)展。1867這一年，是全世界公認(rèn)為最早的RC橋架設(shè)的一年。1877年美國(guó)的Thaddeus H yatt調(diào)查了梁的力學(xué)性質(zhì)，1887年德國(guó)的Konen提出了用混凝土承擔(dān)壓力和用鋼筋承擔(dān)拉力的設(shè)計(jì)方案，德國(guó)的J．Baushinger確認(rèn)了混凝土中的鋼筋不受銹蝕等問(wèn)題，于是RC結(jié)構(gòu)又有了新的發(fā)展。1892年法國(guó)的Hennebique闡述了箍筋對(duì)抗剪的有效作用，并于1898年提出了T形粱的方案。關(guān)于柱子，前面提到的Conigne在RC樁方面得到了很多專利，Considere根據(jù)實(shí)驗(yàn)于1902年取得了螺旋鋼筋柱的專利。

總而言之，混凝土結(jié)構(gòu)是在19世紀(jì)中期開始得到應(yīng)用的，由于當(dāng)時(shí)水泥和混凝土的質(zhì)量都很差，同時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算理論尚未建立，所以發(fā)展比較緩慢。直到19世紀(jì)末以后，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，以及試驗(yàn)工作的開展、計(jì)算理論的研究、材料及施工技術(shù)的改進(jìn)，這一技術(shù)才得到了較快的發(fā)展。目前已成為現(xiàn)代工程建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)之一。

在工程應(yīng)用方面，混凝土結(jié)構(gòu)最初僅在最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)物如拱、板等中使用。隨著水泥和鋼材工業(yè)的發(fā)展?；炷梁弯摬牡馁|(zhì)量不斷改進(jìn)、強(qiáng)度逐步提高。例如在美國(guó)20世紀(jì)60年代使用的混凝土抗壓強(qiáng)度平均為28N/mm2，20世紀(jì)70年代提高到42 N/mm2 ，一些特殊需要的結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)80—100 N/mm2，而實(shí)驗(yàn)室做出的抗壓強(qiáng)度最高已達(dá)266 N/mm2。前蘇聯(lián)20世紀(jì)70年代使用鋼材平均屈服強(qiáng)度為380 MPa，20世紀(jì)80年代提高到420 N/mm2；美國(guó)在20世紀(jì)70年代鋼材平均屈服強(qiáng)度已達(dá)420 N/mm2。預(yù)應(yīng)力鋼筋所用強(qiáng)度則更高。這些均為進(jìn)一步擴(kuò)大鋼筋混凝土的應(yīng)用范圍創(chuàng)造了條件，特別是自20世紀(jì)70年代以來(lái)，很多國(guó)家巳把高強(qiáng)度鋼筋和高強(qiáng)度混凝土用于大跨、重型、高層結(jié)構(gòu)中，在減輕自重、節(jié)約鋼材上取得了良好的效果。

為了克服鋼筋混凝土易于產(chǎn)生裂縫這一缺點(diǎn)，促成了預(yù)應(yīng)力混凝土的出現(xiàn)。預(yù)應(yīng)力混凝土的應(yīng)用又對(duì)材料強(qiáng)度提出新的更高的要求，而高強(qiáng)度混凝土及鋼材的發(fā)展反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大。預(yù)應(yīng)力混凝土除了用以改善建筑結(jié)構(gòu)外(例如增大跨度、減小截面等)，還應(yīng)用于高層建筑、橋隧建筑、海洋結(jié)構(gòu)、壓力容器、飛機(jī)跑道及公路路面等方面。預(yù)應(yīng)力混凝土的應(yīng)用已不僅在某些范圍內(nèi)用來(lái)代替鋼結(jié)構(gòu)和改善普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而且在一些方面，例如原子能發(fā)電站的高溫高壓的大型壓力容器，只有采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)建造才能保證安全。對(duì)防腐蝕有特殊要求的海洋結(jié)構(gòu)—如采油平臺(tái)，也非采用預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼筋混凝土建造不可。

為改善鋼筋混凝土自重大的缺點(diǎn)，世界各國(guó)已經(jīng)大力研究發(fā)展了各種輕質(zhì)混凝土(由膠結(jié)料、多孔粗骨科、多孔或密實(shí)的細(xì)骨科與水拌制而成)，其干容重一般不大于18kN/m3，如陶?；炷?、浮石混凝土、火山渣混凝土、膨脹礦渣混凝土等。輕質(zhì)混凝土可在預(yù)制和現(xiàn)澆的建筑結(jié)構(gòu)中采用，例如可制成預(yù)制大型壁板、屋面板、折板以及現(xiàn)澆的薄殼、大跨、高層結(jié)構(gòu)。但在應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)考慮到它的一些特殊性能(彈性模量低、收縮、徐變大等)，國(guó)外輕質(zhì)混凝土用于承重結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等級(jí)為C30～C60，其容重一般為14～18kN/m3。國(guó)內(nèi)常用的強(qiáng)度等級(jí)為C20、C30，也可配制C40或更高的強(qiáng)度，其容重一般為12～18kN/m3。由輕混凝土制成的結(jié)構(gòu)自重較普通混凝土可減少20～30%，由于自重減輕，結(jié)構(gòu)地震作用減小，因此在地震區(qū)采用輕質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)可有效地減小地震力，節(jié)約材料和造價(jià)。

二次世界大戰(zhàn)后，國(guó)外建筑工業(yè)化的發(fā)展很快，已從采用一般的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)定向工業(yè)化建筑體系，趨向于做到一件多用或僅用較少幾種類型的構(gòu)件(如梁板合一構(gòu)件、墻柱合一構(gòu)件等)就能建造成各類房屋。實(shí)踐充分顯示出建筑工業(yè)化在加快建設(shè)速度、降低建筑造價(jià)、保證施工質(zhì)量等方面的巨大優(yōu)越性。在大力發(fā)展裝配或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系的同時(shí)，有些國(guó)家還采用了工具式模板、機(jī)械化現(xiàn)澆與預(yù)制相結(jié)合，即裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。

由于輕質(zhì)、高強(qiáng)混凝土材料的發(fā)展以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論水平的提高，使得混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用跨度和高度都不斷地增大。例如；目前世界上最高的混凝土建筑為香港中環(huán)廣場(chǎng)達(dá)78層374m、其次是平壤柳京飯店達(dá)105層300m、芝加哥水塔廣場(chǎng)大樓達(dá)76層262m；最高的全部輕混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑是休士敦貝殼廣場(chǎng)大廈52層215m；預(yù)應(yīng)力輕骨科混凝土建造的飛機(jī)庫(kù)(西德)房蓋結(jié)構(gòu)跨度達(dá)90m；預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面橋梁跨度已達(dá)240m以上(日本沃名大橋)；蘇聯(lián)及加拿大分別建成了533m及549m高的預(yù)應(yīng)力混凝土電視塔。

所有這些都顯示了近代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工水平日新月異的，迅速發(fā)展。

此外，對(duì)于防射線混凝土、纖維混凝土等也正在積極研究中，并已在有特殊要求的結(jié)構(gòu)上開始應(yīng)用。纖維混凝土使混凝土的性質(zhì)獲得飛躍的發(fā)展，把混凝土的拉、壓強(qiáng)度比從1/l0提高到1/2，并且具有早強(qiáng)、體積穩(wěn)定(收縮、徐變小)的特性；并有可能建造600—900m高的建筑，跨度達(dá)500—600m的橋梁，以及海上浮動(dòng)城市、海底城市、地下城市等。

國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)況

在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，我國(guó)也開始有了鋼筋混凝土建筑物，如上海市的外灘、廣州市的沙面等，但工程規(guī)模很小，建筑數(shù)量也很少。解放以后，我國(guó)在落后的國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了大規(guī)模的社會(huì)主義建設(shè)。隨著工程建設(shè)的發(fā)展及國(guó)家進(jìn)一步的改革開放，混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)各項(xiàng)工程建設(shè)中得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)20世紀(jì)70年代起，在一般民用建設(shè)中巳較廣泛地采用定型化、標(biāo)準(zhǔn)化的裝配式鋼筋混凝土構(gòu)件，并隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展以及墻體改革的推行，發(fā)展了裝配式大板居住建筑，在多高層建筑中還廣泛采用大模剪力墻承重結(jié)構(gòu)外加掛板或外砌磚墻結(jié)構(gòu)體系。各地還研究了框架輕板體系，最輕的每平方米僅為3～5kN。由于這種結(jié)構(gòu)體系的自重大大減輕，不僅節(jié)約材料消耗，而且對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震具有顯著的優(yōu)越性。

改革開放后，混凝土高層建筑在我國(guó)也有了較大的發(fā)展。繼20世紀(jì)70年代北京飯店、廣州白云賓館和一批高層住宅（如北京前三門大街、上海漕溪路住宅建筑群）的興建以后，80年代，高層建筑的發(fā)展加快了步伐，結(jié)構(gòu)體系更為多樣化，層數(shù)增多，高度加大，已逐步在世界上占據(jù)領(lǐng)先地位；目前國(guó)內(nèi)最高的混凝土結(jié)構(gòu)建筑是廣州的中天廣場(chǎng)，80層322m高，為框架—筒體結(jié)構(gòu)；香港的中環(huán)廣場(chǎng)達(dá)78層374m，三角形平面筒中筒結(jié)構(gòu)，是世界上最高的混凝土建筑；廣州國(guó)際大廈63層199m，是80年代世界上最高的部分預(yù)應(yīng)力混凝土建筑。隨著高層建筑的發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法和試驗(yàn)研究工作，在我國(guó)得到了極為迅速的發(fā)展，許多方面已達(dá)到或接近于國(guó)際先進(jìn)水平。

在大跨度的公共建筑和工業(yè)建筑中，常采用鋼筋混凝土桁架、門式剛架、拱、薄殼等結(jié)構(gòu)形式。在工業(yè)建設(shè)中已經(jīng)廣泛地采用了裝配式鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土。為了節(jié)約用地；在工業(yè)建筑中多層工業(yè)廠房所占比重有逐漸增多的趨勢(shì)，在多層工業(yè)廠房中除現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)體系以外，裝配整體式多層框架結(jié)構(gòu)體系已被普遍采用。并發(fā)展了整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱體系，由于其構(gòu)件類型少，裝配化程度高、整體性好、平面布置靈活，是一種有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)體系。同時(shí)升板結(jié)構(gòu)、滑模結(jié)構(gòu)也有所發(fā)展。此外，如電視塔、水培、水池、冷卻塔、煙囪、貯罐、筒倉(cāng)等特殊構(gòu)筑物也普遍采用了鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土。如9度抗震設(shè)防、高380m的北京中央電視塔、高405m的天津電視塔、高490m的上海東方明珠電視塔等。

混凝土結(jié)構(gòu)在水利工程、橋隧工程、地下結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用也極為廣泛。用鋼筋混凝土建造的水閘、水電站、船塢和碼頭在我國(guó)已是星羅棋布。如黃河上的劉家峽、龍羊峽及小浪底水電站，長(zhǎng)江上的葛洲壩水利樞紐工程及正在建設(shè)的三峽工程等。

鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁也有很大的發(fā)展，如著名的武漢長(zhǎng)江大橋引橋；福建烏龍江大橋，最大跨度達(dá)144m，全長(zhǎng)548m。四川滬州大橋，采用了預(yù)應(yīng)力混凝土T形結(jié)構(gòu)，三個(gè)主跨為170m，主橋全長(zhǎng)1255．6m，引道長(zhǎng)達(dá)7000m，是目前我國(guó)最長(zhǎng)的公路大橋。為改善城市交通擁擠，城市道路立交橋正在在迅速發(fā)展。

隨著混凝土結(jié)構(gòu)在工程建設(shè)中的大量使用，我國(guó)在混凝土結(jié)構(gòu)方面的科學(xué)研究工作已取得較大的發(fā)展。在混凝土結(jié)構(gòu)基本理論與設(shè)計(jì)方法、可靠度與荷載分析、單層與多層廠房結(jié)構(gòu)、大板與升板結(jié)構(gòu)、高層、大跨、特種結(jié)構(gòu)、工業(yè)化建筑體系、結(jié)構(gòu)抗震及現(xiàn)代化測(cè)試技術(shù)等方面的研究工作都取得了很多新的成果，基本理論和設(shè)計(jì)工作的水平有了很大提高，已達(dá)到或接近國(guó)際水平。

作為反映我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)科水平的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范也隨著工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的積累、科研工作的成果和世界范圍技術(shù)的進(jìn)步而不斷改進(jìn)。1952年東北地區(qū)首先頒布了《建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)暫行標(biāo)準(zhǔn)》；1955年制定的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)暫行規(guī)范》（結(jié)規(guī)6—55），采用了前蘇聯(lián)規(guī)范中的按破壞階段設(shè)計(jì)法；1966年頒布了我國(guó)第一本《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（BJG2l—66），采用了當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)的以多系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法；1974年編制了采用單一安全系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJ10—74），以及一些有關(guān)的專門規(guī)程和規(guī)定。規(guī)范（BJG2l—66）和（TJl0—74）的頒布標(biāo)志著我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范步入了從無(wú)到有、由低向高發(fā)展的階段。為了解決各類材料的建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法的合理和統(tǒng)一問(wèn)題，1984年頒布的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ68—84）規(guī)定我國(guó)各種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范均統(tǒng)一采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是以結(jié)構(gòu)功能的失效概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的量度，由定值的極限狀態(tài)概念轉(zhuǎn)變到非定值的極限狀態(tài)概念上，從而把我國(guó)結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法提高到當(dāng)時(shí)的國(guó)際水平，對(duì)提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性具有深刻意義。為配合(GBJ68—84)的執(zhí)行，1989年頒布的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ10—89）使我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范提高到了一個(gè)新的水平。

經(jīng)過(guò)近十幾年我國(guó)工程建設(shè)的快速發(fā)展以及進(jìn)入WTO的需要，自1997年起，我國(guó)對(duì)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面修訂，并頒布了《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068—2001）及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2002）等。新標(biāo)準(zhǔn)的頒布，將推動(dòng)新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使混凝土結(jié)構(gòu)不斷地發(fā)展，不停地演進(jìn)，達(dá)到新的水平